压力容器用钢的应变极限
压力容器常用材料的基本知识
压力容器常用(chánɡ yònɡ)材料(cáiliào)的基本(jīběn)知识(zhī shi)1、压力容器用钢板(gāngbǎn)选用时应考虑：①设计压力；②设计温度；③介质特性；④容器类别。
2、从材料力学性能来说，升温等效于升压，降温将导致钢材的脆性增加。
3、对同一种材料来说，随温度和板厚的增加，其许用应力则降低。
因而当容器壳体的名义厚度处于钢板许用应力变化的临界值时，应考虑此问题。
如处于16mm的Q235-B、Q235-C和16mm、36mm的Q345R都会发生许用应力跳档现象。
4、钢材的强度和塑性指标可通过拉伸试验和冷弯试验（室温下进行）获得。
5、板材供货时薄板以热轧状态供货，厚板以正火状态供货（因强度和韧性下降）。
6、压力容器用钢板当达到一定的厚度时，应在正火状态下使用，即使用正火板，如用于壳体厚度＞30mm的Q345R钢板必须要求正火状态下供货和使用。
需注意：正火仅对板材而言，而非整体设备。
（热轧板呈铁红色，正火板呈铁青色）。
7、压力容器用钢与锅炉用钢类同，首先要保证足够的强度，还要有足够的塑性，质地均匀等。
因此，必须选用杂质(S、P)和有害气体含量较低的碳素钢和低合金钢，均为镇静钢。
且为保证受压元件材料的焊接性能,一般须控制材料的含碳量≤0.25%。
材料的含碳量升高，则其冲击韧性下降，脆性转变温度升高，在焊接时容易产生裂纹。
8、低合金钢的机械性能、耐腐蚀性、耐热性、耐磨性等均比碳素钢有所提高，其中最常用的是：Q345R。
它不仅S、P含量控制较严，更重要的是要求保证足够的冲击韧性，在材料验收方面也比较严格。
因此其使用压力不受限制，使用温度上限为475℃，下限为-20℃。
板厚为3～200mm。
是应用很广的材料。
9、Q345R(GB713-2008)代替原16MnR)的使用说明：①、Q345R的适用范围是：使用压力不限、使用温度为-20～475℃。
压力容器使用温度对材料的要求汇总
压力容器使用温度对材料的要求汇总总体要求1.碳素钢和碳锰钢钢材在高于425℃温度下长期使用时，应考虑钢中碳化物相的石墨化倾向。
2.奥氏体型钢材的使用温度高于525℃时，钢中含碳量应不小于0. 04%。
3.奥氏体型钢材的使用温度高于或等于-196℃时，可免做冲击试验。
低于-196℃～- 253℃，由设计文件规定冲击试验要求。
钢板1.碳素钢和低合金钢钢板(1).用于设计温度高于200℃的Q370R钢板，以及用于设计温度高于300℃的18MnMoNbR、13MnNiMoR和12Cr2M01VR钢板，应在设计文件中要求钢板按批进行设计温度下的高温拉伸试验。
(2).根据设计文件要求，对厚度大于36 mm的标准抗拉强度下限值大于或等于540 MPa 的钢板和用于设计温度低于- 40℃的钢板，可附加进行落锤试验。
试验按GB/T 6803进行，采用P-2型试样，无塑性转变(NDT)温度的合格指标在设计文件中规定。
(3).GB/T 3274-2007《碳素结构钢和低合金结构钢热轧厚钢板和钢带》中的Q235B和Q235C钢板使用规定如下：钢板的使用温度：Q235B钢板为20℃～300℃；Q235C钢板为0℃~300℃。
2.高合金钢钢板(1).使用温度下限：铁素体型钢板为0℃；奥氏体-铁素体型钢板为-20℃；(2).钛-钢复合板钛-钢复合板的使用温度下限按标准对基材的规定，使用温度上限为350℃；(3).铜-钢复合扳铜-钢复合板的使用温度下限按标准对基材的规定，使用温度上限为200℃；钢管1.碳素钢和低合金钢钢管(1).钢管的标准、使用状态及许用应力按下表的规定。
对壁厚大于30 mm的钢管和使用温度低于-20℃的钢管，表中的正火不允许用终轧温度符合正火温度的热轧来代替。
下表中用于设计温度低于-40℃的钢管用钢均应经炉外精炼。
(2).GB/T 8163中10、20钢和Q345D钢管的使用规定：10、20和Q345D钢管的使用温度下限相应为-10℃、0℃和-20℃；(3).GB 9948中各钢号钢管的使用规定如下：10和20钢管的使用温度下限分别为-20℃和0℃。
关于钢材的冲击韧性和应变时效敏感性有关问题的讨论
Resea rch on the Impact Toughness a nd Stra in Aging Sens itivity of Steel
此。
据文献[巧]介绍，武钢生产的低合金结构钢 WH510 钢及WH530 钢， 其强度和韧性分别优于GB
6654-1996 中的 16MnR 及 15MnVR。在 GB 4160-84
我国现行钢材标准 GB 700-88 和 GB/T 1591-94, 对钢材的冲击韧性要求是作为钢材出厂必须满足的 ‘ 技术条件提出的， 且明确给出了不同温度下的冲击功 指标， 并明确规定冲击试样为纵向 试样， 型缺口 V (参 见表 1)。在GB 700-88 和 GB/T 1591-94 中则均未提
钢材 ; 冲击韧性 ; 应变时效
关键词
0 引言
本文根据已收集到的资料， 对国内外有关钢材标 准和压力容器规范及水电站压力钢管设计规范关于 钢材冲击韧性和应变时效敏感性的有关规定进行了 分析与比较， 对要否在钢管规范修订稿中提出钢材冲 击韧性和应变时效敏感性的指标进行了讨论， 并提出 了 相应的建议，可供规范组参考。
c _ A - AsX00% k k 1 O
Ak
( 1)
式中， Ak— Ak, —
和 GB/T 1591-94 《 低合金高强度结构钢》[1 等钢板 3}
标准 ，规定冲击试样为纵 向试样 ; 我 国的 GB
6654-1996 《 压力容器用钢板》14} 1 则规定冲击试样为 横向 试样。国外(如日 本、英国等国家)的钢板标准关
整理压力容器常用钢材
文件编号： 10-54-9A -A9-3E整理人 尼克压力容器常用钢材金属材料的基本知识1、有关材料力学（机械）性能名词1.1极限强度：材料抵抗外力破坏作用的最大能力，叫做极限强度；分：抗拉强度，抗压强度，抗弯强度，抗剪强度，单位是兆帕。
1.2屈服点，屈服强度，单位是兆帕。
1.3弹性极限：材料在受到外力到某一极限时，若除去此外力，则变形即恢复原状，材料抵抗这一外力的能力。
1.4延伸率：材料受拉力作用断裂时，伸长的长度与原有长度的比值。
1.5断面收缩率：材料受拉力作用断裂时，断面缩小的面积与原有断面面积的比值。
1.6硬度：材料抵抗硬的物体压入表面的能力。
一般是用一定负荷把一定直径的淬硬钢球压材料表面，保持规定时间后卸除载荷，测量材料表面的压痕，按公式用压痕面积除以负荷所得的商。
依据测量方法的不同，有布氏硬度HB，洛氏硬度HR，表面洛氏硬度，维氏硬度HV。
2、金属材料分类2.1 按组分分：纯金属和合金，2.2 按实用分：黑色金属（铁和铁合金），有色金属（指铜，锡，锰，铅，铝等）3、钢铁3.1钢的定义：是指碳含量低于2％的一种铁碳合金，当然，其中还含有一定量的硅、锰、磷、硫等元素。
铁的定义：是指碳含量高于2％的一种铁碳合金。
含碳量小于0.04％为工业纯铁。
3.2 钢的分类3.2.1按化学成分分：碳素钢（除铁外，含有少量的硅、锰、硫、磷）；合金钢（钢中加入了一些如铬，镍、钼、钨、钒等元素）3.2.2按含碳量分：低碳钢（含碳量＜0.25%）；中碳钢（含碳量0.25~0.6%）；高碳钢（含碳量＞0.6%）。
3.2.3 按质量分：主要是控制钢中含硫、含磷量；普通钢（S不超过0.050％，P不超过0.045％），优质钢（S不超过0.035％，P不超过0.035％），高级优质钢（S不超过0.025％，P不超过0.030％），特级质量钢（S不超过0.015％，P不超过0.025％）。
3.2.4 按用途分：结构钢（建筑、机器零件），工具钢（工具、模具、量具），特殊用途（如不锈钢、耐酸钢、耐热钢、磁钢等），专业用钢（如汽车用钢，化工用钢，锅炉用钢，电工用钢，焊条用钢等）。
GB150_钢制压力容器_《压力容器安全技术监察规程》
Pz 安全泄放装置动作压力
Pw＜Pz ≤(1.05-1.1)Pw Pd ≥Pz
1、总论
1.6设计参数
1.6.2 温度 Tw 在正常工况下元件的金属温度，实际工程中，往往 以介质的温度表示工作温度。 Tt 压力试验时元件的金属温度，工程中也往往以试验 介质温度来表示试验温度。
1、总论
1.6 设计参数
1、总论
1.6 设计参数
1.6.1 压力（6个压力）
Pw 正常工况下，容器顶部可能达到的最高压力
Pd 与相应设计温度相对应作为设计条件的容器顶部的最高压力 Pd≥PW Pc 在相应设计温度下，确定元件厚度压力（包括静液柱）
Pt 压力试验时容器顶部压力
Pwmax 设计温度下，容器顶部所能承受最高压力， 由受压元件有效厚度计算得到。
压力容器类别及制造许可证级别划分
三、压力容器分类
5 《容规》中压力容器类别的划分：
根据压力容器的压力等级、品种、介质的毒性程度和爆炸危险程度划分为三类. 1）下列情况之一的，为第三类压力容器： (1) 高压容器； (2) 中压容器(仅限毒性程度为极度和高度危害介质)； (3) 中压储存容器(仅限易娥或毒性程度为中度危害介质，且PV乘积大于等于10Mpa.m3)；
3）低压容器为第一类压力容器(本条第1款、第2款规定的除外)。
注：1. 按《容规》划分类别的压力容器必须是符合第2条适用范围的压 力容器。 2. 第2条第2款中所列的压力容器其设计、制造和安装、使用管理与修理改造应符合《容规》的要 求。 3. 多腔压力容器的类别划分： 1）分别按各腔的设计压力、容积等进行类别划分； 2）按照类别高的压力腔作为该容器的类别，并按该类别进行使用管理； 3）按照每个压力腔各自的类别分别提出设计、制造技术要求。 4. 图样中技术特性表中的容器类别应按“第三类”、 “第二类”、“第一类”的型式标注。
压力容器设计审核人员培训_GB150.2-2011_压力容器_第2部分
6~12 ＞12~16 ＞16~150 ＞12~20 ＞12~150
＜6
热轧ห้องสมุดไป่ตู้ 控轧、
正火
热轧、控轧 正火
0℃冲击
-20℃冲击 （协议） 免做冲击
6~20 ＞20~25 ＞25~200 ＞20~30 ＞30~200
热轧、 控轧、
正火
热轧、控轧 正火
0℃冲击 -20℃冲击 （协议）
10~60
正火
-20℃冲击
不低于Ⅱ级
9
7） 第5章钢管中增加了2个低合金钢钢管
（09MnNiD和08Cr2AlMo），2个奥氏体型 高合金钢无缝钢管（1Cr19Ni9和 0Cr25Ni20），4个奥氏体-铁素体型高合金 钢无缝钢管（S21953、S22253、S22053和 S25073），高合金钢焊接钢管列入5个奥氏 体型钢号（S30408、S30403、S31608、 S31603和S32168）和3个奥氏体-铁素体型 钢号（S21953、S22253、S22053）；
28
4.1.4 下列碳素钢和低合金钢钢板,应在正火 状态下使用：
a) 用于多层容器内筒的 Q245R 和 Q345R； b) 用于壳体的厚度大于 36mm 的 Q245R 和 Q345R； c) 用于其他受压元件(法兰、管板、平盖等) 的厚度大于50mm 的 Q245R 和 Q345R。
29
表2 ：碳素钢和低合金钢钢板许用应力 30
15
制冷压力容器执行的标准： NB/T47012-2011《制冷装置用压力容器》 代替 JB/T4750；
简单压力容器执行的标准：TSG R0003《简单压力容器安全技术监察规程》
16
三、总则
3.1 本标准对压力容器受压元件所采用的钢 板、钢管、钢锻件和螺柱（含螺栓）用钢 材做出了相关规定。与受压元件相焊接的 非受压元件用钢应是焊接性良好的钢材。 压力容器受压元件是：包括容器直接 承受工作压力的受力部件。压力容器非受 压元件是：如支座附板、塔式容器的裙座、 加劲板等。
q345r的许用应力
q345r的许用应力Q345R是一种常用的压力容器用钢，其机械性能和化学成分符合国家标准GB713-2008中的规定。
对于压力容器来说，其是负责承担压力载荷的，因此其中的应力和应变变化是至关重要的，下面将围绕Q345R的许用应力进行阐述。
第一步，Q345R的应力与应变在理解Q345R的许用应力之前，首先需要知道其在使用过程中的应力与应变状况。
由于压力容器中会存在各种压力载荷，因此会导致容器壁的应力状态不断变化，这个应力状态与材料的本身性质有关。
对于Q345R来说，其属于一种具有较高强度和塑性的结构钢，因此在承担压力时能够较好地保持强度和硬度，避免出现过多的变形和破坏。
第二步，Q345R的许用应力值在设计压力容器时，需要保证其满足强度、稳定性和安全性等要求，因此需要确定其许用应力值。
对于Q345R来说，其许用应力值是由产品规范和设计规范共同约定的，一般情况下其值是不会高于其屈服强度的。
根据国家标准GB713-2008中规定，Q345R的允许应力值为150MPa，在容器的使用过程中，应该尽量避免超过这个数值。
第三步，Q345R的应力分析在实际使用中，需要对压力容器进行应力分析，以确保其在承载压力时不会出现超载或超限的情况。
对于Q345R的应力分析，可以采用典型的有限元方法来进行，通过建立合适的模型和边界条件，可以对容器的应力状态进行预估和分析，从而找出可能存在的问题并进行相应的处理措施。
总而言之，Q345R的许用应力是指在设计和使用过程中，其允许承受的最大应力值，其值大小与容器的材料本身性质和应用环境等因素有关。
使用Q345R制造的压力容器需要进行相应的应力分析和设计，以保证其强度、安全性等要求。
GB 150压力容器讲解
GB150-1998《钢制压力容器》讲解一、概述1、标准适用的压力范围GB150－1998《钢制压力容器》设计压力P：0.1～35 MPa ；真空度：≥0.02 MPaJB4732－95《钢制压力容器-分析设计标准》设计压力P：0.1～100 MPa真空度：≥0.02 MPaJB／T4735－1997《钢制焊接常压容器》设计压力P：圆筒形容器：-0.02 MPa≤P≤0.1 MPa立式圆筒形储罐、圆筒形料仓 -500Pa≤P≤0.2000 Pa矩形容器：连通大气JB4710－2000《钢制塔式容器》设计压力P：0.1～35MPa(对工作压力<0.1MPa内压塔器,P取 0.1MPa)高度范围 h>10m 且h/D(直径)>52.设计时应考虑的载荷1) 内压、外压或最大压差；2) 液体静压力(≥5%P)；需要时，还应考虑以下载荷3) 容器的自重（内件和填料），以及正常工作条件下或压力试验状态下内装物料的重力载荷；4) 附属设备及隔热材料、衬里、管道、扶梯、平台等的重力载荷；5) 风载荷、地震力、雪载荷；6) 支座、座底圈、支耳及其他形式支撑件的反作用力；7) 连接管道和其他部件的作用力；8) 温度梯度或热膨胀量不同引起的作用力；9) 包括压力急剧波动的冲击载荷；10) 冲击反力,如流体冲击引起的反力等；11) 运输或吊装时的作用力。
3、设计单位的职责1) 设计单位应对设计文件的正确性和完整性负责。
2) 压力容器的设计文件至少应包括设计计算书和设计图样。
3) 压力容器的设计总图应盖有压力容器设计资格印章。
4．容器范围GB150管辖的容器范围是指壳体及其连为整体的受压零部件1) 容器与外部管道连接2) 接管、人孔、手孔等的承压封头、平盖及其紧固件3) 非受压元件与受压元件的焊接接头。
接头以外的元件，如加强圈、支座、裙座等4) 连接在容器上的仪表等附件。
直接连接在容器上的超压泄放装置。
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方法进行试样应力应变分析 。
2 试样制备与试验方法
选用我国三种常用压力容器钢 16MnR 、Q235 和 0Cr18Ni9 进行试验 ,其中 16MnR 、0Cr18Ni9 钢 由山西太钢不锈钢有限公司生产 ,Q235 钢由武汉钢 铁集团公司生产 。三种钢的化学成分和拉伸性能 (3 次实测值) 如表 1 、表 2 所示 。
578. 432 586. 125 583. 089 431. 508 431. 157 432. 727 652. 360 654. 325 650. 484
69. 29 65. 80 64. 39 59. 28 61. 57 63. 19 66. 73 68. 82 64. 82
24. 00 22. 86 26. 83 33. 43 32. 32 35. 53 34. 96 34. 76 36. 77
伸载荷共同作用下 ,应力状态对断裂应变的影响 ,提
出应力三轴度系数 TF ,定义为
TF
=
σm σ
=
σ1 +σ2 +σ3
3 σ1 - σ2 2 + σ2 - σ3 2 + σ1 - σ3 2
(1)
2
式中 :σm 为简体所受的平均正应力 ;σ为 Mises 等效 应力 ;σ1 ,σ2 ,σ3 分别为主应力 。
图 2 Brigman 的缺口圆棒应力2应变分析模型 Fig. 2 Bridgman’s notched bar stress and strain
analysis model
TFr=0
=
σm σ
r=0
=
1 3
+ ln
a 2R
+
1
(2)
式中 : a 为缺口颈部半径 ; R 为缺口半径 。
假设试样缺口颈部横截面的应力 、应变均匀 ,则
由于材料在三轴应力状态下延性断裂机理比较
复杂 ,相关研究还没有取得统一的共识 ,也没有测试
材料在三轴应力状态下延性断裂应变值的相关标
准 。缺口圆棒拉伸试样结构简单 ,并且可通过采用
不同缺口半径使试样获得不同应力三轴度系数 ,便
于测量试验参数 ,这几乎作为通用标准被众多学者
采用来建立材料应力三轴度系数与断裂应变的关
Abstract : To p revent f rom t he local failure of p ressure vessels due to excessive plastic defo rmation , t he st rain
limit of p ressure vessel steels was st udied. The measurement met hods and analysis app roaches of t he ductile f ract ure st rains were st udied. Based on tensile test s of notched bar specimens , t he relatio nship between st ress t riaxiality facto r and f ract ure st rain was established fo r t hree typical Chinese p ressure vessel steels including 16MnR , Q235 and 0Cr18Ni9. The test result s were compared wit h t he st rain limit conditio n in ASM E Ⅷ22 2007. It is shown t hat t he st rain limit criterio n of ASM E is suitable fo r carbon steels but not suitable for austenitic stainless steels in Chinese p ressure vessel steels. To imp rove t he calculation accuracy fo r f ract ure st rain of materials and to establish t he st rain limit conditio n fo r Chinese p ressure vessel steels , a lot of f urt her st udies o n testing and analysis are expected.
Mises 等效应力σ、等效应变εp (因弹性应变很小 ,以
塑性应变作为等效应变考虑) 为
εp = 2l n a0
(3)
a
σ
=
P
πa2
(4)
式中 : a0 为承载前缺口颈部的原始半径 ; P 为拉伸
载荷 。
作者采用缺口圆棒拉伸试样测试出材料在不同
三轴应力状态下断裂应变值 ,然后按 Bridgman 的
1 试验原理
1952 年 Bridgman[2] 根据大量金属材料延性性能
邓阳春 ,等 :压力容器用钢的应变极限
试验研究结果 ,提出对材料施加高的静水压力可显著
提高其延性 ,且材料的延性与应力状态有关。Han2
cock 等[3 - 4] 对 三 种 美 国 高 强 钢 H Y130 、H Y80 和
摘 要 : 为了防止压力容器因过量塑性变形导致结构局部破坏 ,研究了通用压力容器用钢的应 变极限 。在研究压力容器用钢延性断裂应变测试手段和分析方法基础上 ,通过大量缺口圆棒试样 的拉伸试验 ,建立了我国压力容器常用三种材料 16MnR 、Q235 和 0Cr18Ni9 钢的应力三轴度系数2 断裂应变关系 ,并将试验结果与美国 A SM E Ⅷ22 2007 应变限制条件进行了比较 。结果表明 : A SM E Ⅷ22 2007 标准的应变限制条件适用于我国压力容器标准用碳钢材料 ,但是不适用奥氏体 不锈钢材料 ;为了提高材料断裂应变的计算精度 ,并建立我国压力容器用钢的应变限制条件 ,尚需 要进行大量的材料断裂应变测试和研究 。
H Y110 采用缺口圆棒试样进行了拉伸试验和相关的
分析 ,发现随着应变增大 ,试样中心部位先形成分散
的孔洞 ,然后孔洞逐渐聚合 ,最后形成裂纹 ;材料应力
三轴度系数越大 ,断裂应变越小。但是 ,他们对低碳
钢缺口圆棒试样的拉伸试验发现低碳钢随应力三轴
度系数增大 ,其断裂应变变化不明显。
1959 年 , Davis 等[5] 研究了圆筒体在内压和拉
关键词 : 应力三轴度 ; 应变 ; 延性断裂 ; 压力容器
中图分类号 : TB31 文献标志码 : A 文章编号 : 100023738 (2010) 0320066204
Stra in Limit of Pressure Vessel Steels
D ENG Yang2chun1 , XU Tong2 , YANG Xiao2feng1 , CHEN Gang2
第 34 卷 第 3 期 2010 年 3 月
机 械 工 程 材 料
Material s for Mechanical Engineering
Vol. 34 No . 3 Mar. 2010
压力容器用钢的应变极限
邓阳春1 , 徐 彤2 , 杨笑峰1 , 陈 钢2 (1. 湖北省特种设备安全检验检测研究院 ,武汉 430077 ; 2. 中国特种设备检测研究院 ,北京 100013)
收稿日期 :2009203207 ;修订日期 :2009212203 基金项目 “: 十一五”国家科技支撑计划资助项目 (2006BA K02B02) 作者简介 :邓阳春 (1967 - ) ,男 ,湖北洪湖人 ,高级工程师 ,博士 。
·66 ·
延性断裂 ,需要限制压力容器用钢的变形量 ,这是按 新标准进行压力容器设计时需要考虑的新问题 。
Key words : st ress t riaxiality ; st rain ; ductile f ract ure ; p ressure vessel
0 引 言
近百年来 ,压力容器标准一直以小变形为压力 容器设计的前提条件 。2007 年 ,美国 A SM E Ⅷ22[1] 锅炉压力容器标准首次提出弹塑性应力分析法 ,即 按大变形条件进行压力容器设计 ,这是压力容器标 准发展中里程碑式的技术突破 ,具有十分重要的意 义与应用前景 。但是 ,按大变形条件进行压力容器 设计时 ,为防止压力容器由于过量塑性变形导致
0. 25 mm 。试样的缺口颈部半径 a 按 4 mm 设计 , 以实测值为准 ,每个尺寸试样加工 2～3 个 。
在 M TS2880 型拉伸试验机上进行拉伸试验 ,采 用位移控制 ,加载速度为 0. 5 mm ·min - 1 ,可以近 似为静态加载 , 不考虑加载速度对试验结果的影 响[9 - 10 ] 。试验过程中 ,通过载荷传感器测量载荷 , 横向引伸计测量试样缺口颈部半径 a 的变化量 ,纵 向引伸计测量试样长度变化量 ,并绘制 P2Δ 曲线 , 其中 , P 为拉伸载荷 ,Δ 为缺口拉伸试样颈部半径减 少量 。按式 (3) 和式 (4) 计算 P2Δ 曲线上每一点的 等效应力和等效应变 ,绘制σ2εp 曲线 ,曲线上等效应 力突然下降点为延性断裂点 ,可得到断裂等效应变 , 并按式 (2) 计算相应的应力三轴度系数[11] 。
McClintock 于 1968 年[6] 、Rice 等于 1969 年[7] 分
别推导了圆柱形孔洞和球形孔洞扩展的力学机理 。
这两篇文献奠定了材料损伤理论基础 ,指出了孔洞扩
展与应力三轴度系数的定量关系 。金属材料延性断
裂经过孔洞形成 、孔洞扩展和孔洞聚合三个典型过
程[8] 。材料的断裂应变与孔洞的临界尺寸有关 。